PCB科技 - 關於開關電源的電磁相容設計

隨著電力電子技術的發展, 開關電源 模塊已經開始取代傳統的整流電源，並且由於其相對較小的尺寸而廣泛應用於社會的各個領域, 高效率, 運行可靠. 然而, 由於 switch慣性導航與制導 power supply, 內部電流和電壓變化迅速, 即dv/dt和di/dt, 這將導致 開關電源 產生强諧波干擾和尖峰干擾的模塊, 通過傳導, 輻射和串擾這種耦合路徑會影響其自身電路和其他電子系統的正常運行, 當然，它也會受到來自其他電子設備的電磁干擾的影響. 這是討論的電磁相容性問題, 它也是電磁干擾EMD和電磁敏感性EMS 設計 關於電磁相容性的問題 開關電源. 自從國家開始對一些電子產品實施3C認證以來, 電子設備是否符合電磁相容標準將影響該產品能否在市場上銷售, 囙此，對開關電源進行電磁相容研究具有重要意義.

電磁相容是一門綜合性學科，涉及數學、電磁場理論、天線和無線電波傳播、電路理論、訊號分析、通信理論、材料科學、生物醫學等理論。

在設計開關電源的電磁相容性時，首先進行系統設計，並闡明以下幾點：

1.、明確系統必須滿足的電磁相容標準；

2、確定系統中的關鍵電路部分，包括强幹擾源電路和高靈敏度電路；

3、識別電源設備工作環境中的電磁干擾源和敏感設備；

4、確定電源設備應採取的電磁相容措施。

一 DC/DC變換器內部雜訊源分析

1、二極體反向恢復引起雜訊干擾

開關電源中經常使用工頻整流二極體、高頻整流二極體、續流二極體等。 因為這些二極體都在開關狀態下工作，如圖所示，電壓尖峰VFP非常高； 在二極體的導通狀態到閉鎖操作期間，存在反向恢復時間trr。 在反向恢復過程中，由於二極體封裝電感和引線電感的存在，將發生反向。 由於少數載流子的存儲和複合效應，電壓尖峰VRP將產生瞬態反向恢復電流IRP。 這種快速的電流和電壓突變是電磁干擾的根本原因。

電流和電壓波形

2、開關管通斷時產生電磁干擾

二極體反向恢復期間的電流和電壓波形二極體的正向電流和電壓波形

在正向、推挽和橋式變流器中，流過開關管的電流波形類似於電阻負載下的矩形波，並且包含豐富的高頻成分。 這些高頻諧波會引起强烈的電磁干擾。， 在反激變換器中，當施加電阻負載時，流過開關管的電流波形類似於3角波，並且高次諧波分量相對較少。 當打開開關管時，由於開關時間短以及逆變器電路中存在引線電感，將產生較大的dV/dt突變和高峰值電壓。 當開關管關閉時，關閉時間很長。 總之，它會產生很大的di/dt突變和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變會產生很强的電磁干擾。

3、電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾：開關電源中有輸入濾波電感、電力變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件。 隔離變壓器的初級和次級之間存在寄生電容，高頻干擾訊號通過寄生電容。 耦合到二次側； 由於繞組過程和其他原因，電力變壓器由於一次側和二次側耦合不理想而存在漏感。 漏感會引起電磁輻射干擾。 此外，高頻脈衝電流流經電力變壓器的線圈繞組，形成高頻環境。 電磁場：流經電感器的脈動電流會產生電磁場輻射，當負載突然切斷時，會形成電壓尖峰。 同時，當它在飽和狀態下工作時，會產生電流突變，從而引起電磁干擾。

4、控制電路中的週期性高頻脈衝訊號，如振盪器產生的高頻脈衝訊號，會產生高頻高次諧波，對周圍電路造成電磁干擾。

5、此外，電路中將存在接地回路干擾、共阻抗耦合干擾和控制功率雜訊干擾。

6、開關電源的佈線設計非常重要。 不合理的接線會導致電磁干擾通過導線之間的耦合電容和分佈互感或輻射到相鄰導線，從而影響其他電路的正常工作。

7、熱輻射引起的電磁干擾。 熱輻射是以電磁波形式進行的熱交換。 這種電磁干擾會影響其他電子部件或電路的正常穩定運行。

2、外部電磁干擾

對於某一電子設備，外界引起的電磁干擾包括：電網中的諧波干擾、雷電、太陽雜訊、靜電放電以及周圍高頻發射設備引起的干擾。

第3，電磁干擾的後果

電磁干擾會導致傳輸訊號失真，影響設備的正常運行。 雷電和靜電放電等高能電磁干擾在嚴重情况下會損壞設備。 對於某些設備，電磁輻射可能導致重要資訊洩漏。

第四，開關電源的電磁相容性設計

在瞭解了開關電源的內部和外部電磁干擾源之後，我們還應該知道，構成電磁干擾機制的3個要素是傳播路徑和受干擾設備。 囙此，開關電源的電磁相容性設計主要從以下3個方面著手：1。降低干擾源的電磁干擾能量； 2、切斷干擾傳播路徑； 3、提高受擾設備的抗干擾能力。

正確理解和掌握開關電源的電磁干擾源及其產生機理和干擾傳播路徑，對於採取抗干擾措施使設備滿足電磁相容要求至關重要。 由於干擾源具有開關電源內部產生的干擾源和外部干擾源，可以說干擾源無法消除，並且受干擾設備始終存在，囙此可以說電磁相容性問題始終存在。

以下以隔離直流/直流變換器為例，討論開關電源的電磁相容性設計：

1.DC/DC變換器輸入濾波電路的設計

如圖所示，FV1是瞬態電壓抑制二極體，RV1是壓敏電阻。 兩者都具有强大的瞬態浪湧電流吸收能力，可以保護後續元件或電路免受浪湧電壓損壞。 Z1是直流EMI濾波器，必須良好接地，接地線應短，最好直接安裝在金屬外殼上，必須確保輸入和輸出線之間的遮罩隔離，以有效切斷傳導干擾沿輸入線的傳播。 輻射干擾沿著空間傳播。 L1和C1形成低通濾波電路。 當L1的電感較大時，應添加圖中所示的V1和R1分量，以形成自由旋轉回路，吸收L1斷開時釋放的電場能量，否則會形成L1電磁干擾產生的電壓尖峰。 電感器L1使用的磁芯優選為閉合磁芯。 帶有氣隙的開環磁芯的漏磁場會引起電磁干擾。 C1的容量更好，囙此可以减少輸入線。 輸入導線上的紋波電壓，從而减少在輸入導線周圍形成的電磁場。

直流變換器輸入濾波電路

2. The electromagnetic compatibility 設計 的 high frequency inverter circuit, as shown 在 figure, 由C2組成的半橋逆變電路, C3, V2, 和V3, V2和V3是開關元件，如IGBT和MOSFET, which are turned on and off at V2 and V3 什麼時候 off, 由於開關時間快，並且存在引線電感和變壓器漏感, 回路將產生更高的di/dt和dv/dt突變, 會引起電磁干擾. 因此, R4 and 補體第四成份 are added at both ends 的 primary side 的 transformer. 形成吸收環, 或在V2和V3兩端並聯連接電容器C5和C6, 縮短引線以降低ab的引線電感, cd, gh, 和ef. 在 設計, C4, C5, C6一般使用低電感電容器. 電容器的大小取決於引線電感, 回路中的電流值和允許的過沖電壓值. 公式LI2/2=C––³V2/2得到C的大小, 其中L是回路電感, I是回路電流, -V是過沖電壓值.

為了减少–³V，有必要减少回路引線電感。 囙此，設計中經常使用稱為“多層低電感複合母線”的裝置。 電感降低到足够小的水准，高達10nH，以達到减少高頻逆變器回路電磁干擾的目的。

開關管電流和電壓波形對比圖

從電磁相容性設計的角度來看，應盡可能降低開關管V2和V3的開關頻率，從而降低di/dt和dv/dt值。 此外，使用零電流開關或零電壓開關軟開關科技可以有效降低高頻逆變器回路的電磁干擾。 高電流或高電壓下的快速開關動作是電磁雜訊的根源。 囙此，選擇一種產生盡可能少電磁雜訊的電路拓撲。 例如，在相同條件下，雙管正向拓撲比單管正向拓撲更有可能產生電磁雜訊。 全橋電路體積小，產生的電磁雜訊比半橋電路小。

從電磁相容性設計的角度來看，應盡可能降低開關管V2和V3的開關頻率，從而降低di/dt和dv/dt值。 此外，使用零電流開關或零電壓開關軟開關科技可以有效降低高頻逆變器回路的電磁干擾。 高電流或高電壓下的快速開關動作是電磁雜訊的根源。 囙此，選擇一種產生盡可能少電磁雜訊的電路拓撲。 例如，在相同條件下，雙管正向拓撲比單管正向拓撲更有可能產生電磁雜訊。 全橋電路體積小，產生的電磁雜訊比半橋電路小。

如圖所示，將添加吸收電路後開關管上的電流和電壓波形與未添加吸收電路的波形進行比較。

半橋逆變器電路

3、高頻變壓器EMC設計

在設計高頻變壓器T1時，儘量選擇電磁遮罩效能更好的磁芯資料。

如圖所示，C7和C8是匝間耦合電路，C11是繞組間耦合電容器。 在對變壓器進行繞組時，儘量減少分佈式電容器C11，以减少變壓器一次側到二次繞組的高頻干擾耦合。 此外，為了進一步减少電磁干擾，可以在一次繞組和二次繞組之間添加遮罩層，並且遮罩層良好接地，以便在變壓器的一次繞組和二次繞組與遮罩層之間形成耦合電容器C9和C10，高頻干擾電流通過C9和C10流向大地。

由於變壓器是一個加熱元件，散熱條件差將不可避免地導致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射。 熱輻射以電磁波的形式傳播。 囙此，變壓器必須具有良好的散熱條件。

通常，高頻變壓器封裝在鋁制外殼箱內。 鋁盒也可以安裝在鋁散熱器上，填充電子矽膠，使變壓器形成更好的電磁遮罩，保證更好的散熱效果。 减少電磁輻射。

高頻變壓器的電磁相容設計

5、輸出整流電路的EMC設計

該圖顯示了輸出半波整流電路，V6是整流二極體，V7是續流二極體。 由於V6和V7工作在高頻開關狀態，輸出整流電路的電磁干擾源主要是V6和V7、R5、C12，它與R6和C13相連，分別形成V6和V7的吸收電路，用於吸收開關操作期間產生的電壓尖峰，並以R5和R6上的熱量的形式將其消散。

减少整流二極體的數量可以减少電磁干擾的能量。 囙此，在相同條件下，使用半波整流電路比使用全波整流和全橋整流產生更少的電磁干擾。

為了减少二極體的電磁干擾，必須選擇具有軟恢復特性、小反向恢復電流和短反向恢復時間的二極體器件。 從理論上講，肖特基勢壘二極體（SBD）傳導大多數載流子電流，並且沒有少數載流子的存儲和複合效應，囙此不會出現反向電壓尖峰干擾。 對於具有工作電壓的肖特基二極體，隨著電子勢壘厚度的新增，反向恢復電流將新增，並且還會產生電磁雜訊。 囙此，當輸出電壓較低時，選擇肖特基二極體作為直流二極體產生的電磁干擾將小於選擇其他二極體器件。

電磁相容性設計 輸出整流電路

6、輸出直流濾波電路的EMC設計

輸出直流濾波電路主要用於切斷電磁傳導干擾沿導線向輸出負載端的傳播，减少導線周圍電磁干擾的電磁輻射。

如圖所示，由L2、C17和C18組成的LC濾波電路可以减小輸出電流和電壓紋波的大小，從而减少通過輻射傳輸的電磁干擾。 濾波電容器C17和C18應盡可能與多個電容器並聯。 降低等效串聯電阻，從而降低紋波電壓。 輸出電感L2應盡可能大，以减小輸出紋波電流的大小。 此外，最好使用電感L2沒有氣隙的閉環磁芯，最好不是飽和電感。 在設計時，我們必須記住，導線上的電流和電壓會發生變化，導線周圍有一個變化的電磁場，電磁場會沿著空間傳播，形成電磁輻射。

C19用於過濾導線上的共模干擾，儘量使用低電感電容器，接線應短，C20、C21、C22、C23用於過濾輸出線上的差模干擾，應使用低電感3端電容器，接地線應短而可靠。

Z3是一個直流電磁干擾濾波器。 它是否使用取決於情况，無論是單級還是多級濾波器。 然而，要求Z3直接安裝在金屬底盤上。 濾波器的輸入和輸出線最好可以遮罩和隔離。

輸出整流電路的電磁相容性設計

7. 電磁相容性設計 接觸器數量, 繼電器和其他開關設備

繼電器、接觸器、風扇等通電後，其線圈將產生更大的電壓尖峰，這將導致電磁干擾。 囙此，在直流線圈的兩端並聯一個二極體或RC吸收電路，並在交流線圈的兩端並聯一個二極體或RC吸收電路。 變阻器用於吸收線圈斷電後產生的電壓尖峰。同時，應注意，如果接觸器線圈電源和輔助電源輸入電源是同一電源，最好在它們之間通過EMI濾波器。 繼電器觸點動作時也會產生電磁干擾，囙此應在觸點兩端添加RC吸收回路。

8、開關電源箱結構的電磁相容設計

資料選擇：沒有“磁性絕緣”資料。 電磁遮罩利用“磁短路”原理切斷設備內部和外部空氣中電磁干擾的傳播路徑。 在設計開關電源的機櫃結構時，必須充分考慮對電磁干擾的影響

遮罩效能，遮罩資料的選擇原則是當干擾電磁場的頻率較高時，使用高導電性金屬材料，遮罩效果更好； 當干擾電磁波的頻率較低時，應使用高磁導率的金屬材料，遮罩效果較好； 在某些情况下，如果高頻和低頻電磁場都需要良好的遮罩效果，則通常使用具有高電導率和高磁導率的金屬材料來形成多層遮罩。

孔、間隙、重疊處理方法：電磁遮罩方法不需要重新設計電路，可以達到良好的電磁相容效果。 理想的電磁遮罩體是無間隙、無孔、無穿透的導電連續體和低阻抗金屬密封體，但完全密封的遮罩體沒有實用價值，因為在開關電源設備中，存在輸入、輸出線通孔、散熱孔和其他孔， 以及箱體結構部件之間的重疊間隙，如果不採取措施，將發生電磁洩漏，這將降低箱體的遮罩效能，甚至完全失去遮罩效能。 囙此，在開關電源箱的設計中，金屬板之間的搭接最好採用焊接。 當無法焊接時，使用電磁墊片或其他遮罩資料。 盒子上的開口應小於要遮罩的電磁波的波長。 1/2，否則遮罩效果將大大降低； 對於通風孔，當遮罩要求不高時，可以使用穿孔金屬板或金屬絲網，當需要高遮罩效率和良好通風效果時，應使用截止波導。 以及其他提高遮罩效能的方法。 如果箱體的遮罩效能仍不能滿足要求，可以在箱體上噴塗遮罩漆。 除了遮罩開關電源的整個機櫃外，它還可以部分遮罩電源設備的內部組件和部件，例如干擾源或敏感設備。

在設計機櫃結構時，為將接受靜電放電測試的設備的所有部分設計一個低阻抗電流放電路徑。 機櫃必須有可靠的接地措施，並保證接地線的載流能力。 同時，使敏感電路或部件遠離這些泄放電路，或對其使用電場遮罩措施。 對於結構零件的表面處理，通常使用電鍍銀、鋅、鎳、鉻和錫。 這需要考慮電導率、電化學反應、成本和電磁相容性。

9.EMC 設計 in component layout and wiring:

開關電源設備內部組件的佈局必須考慮整體電磁相容性的要求。 設備內部的干擾源將通過輻射和串擾影響其他組件或組件的操作。 研究表明，在距離干擾源一定距離處，干擾源的能量會大大衰减，囙此合理的佈局將有助於减少電磁干擾的影響。

最好將EMI輸入和輸出濾波器安裝在金屬主機殼的入口處，並確保輸入線和輸出線與電磁環境遮罩和隔離。

使敏感電路或部件遠離熱源。